替代 192Ir的1 MeV Ku 波段電子直線(xiàn)加速器

               有兩種實(shí)用的方法可用于工業(yè)應用>100 keV X 射線(xiàn)：使用放射性γ射線(xiàn)源，以及將加速電子束轉換為軔致輻射。雖然放射性同位素源由于其緊湊、低成本和能譜純度而似乎是此類(lèi)應用的佳解決方案，但由于存在事故或轉移的風(fēng)險，美國和國際當局目前的趨勢是用基于加速器的 X 射線(xiàn)源取代放射性同位素。此外，與放射性同位素不同，放射性同位素由于其半衰期而具有可變的輸出并且必須每隔幾個(gè)月補充一次，直線(xiàn)加速器可以在其整個(gè)生命周期內產(chǎn)生恒定的輸出。用于射線(xiàn)照相的常見(jiàn)同位素是192Ir，它產(chǎn)生的平均γ能量為 380 keV，半衰期為 75 天，以及 60Co，平均能量為 1.25 MeV，半衰期為 5.3 年。由于半衰期短，192Ir 的威脅比60Co 小，但由于必須不斷補充，因此被轉移的風(fēng)險更高。    

               粒子加速器代表了一種比放射性同位素更安全、更靈活的 X 射線(xiàn)源形式。但是，為了被視為合適的替代品，加速器必須具有相當的重量、成本和尺寸，并且與成像系統兼容。此外，新穎、高效的成像方法對 X 射線(xiàn)源提出了額外的要求，例如能量擴展、脈沖長(cháng)度、能量變化和束流調制。目前用于產(chǎn)生X 射線(xiàn)的加速器初是在 1960 年代開(kāi)發(fā)的，此后沒(méi)有太大變化。

               然而，針對特定應用減小直線(xiàn)加速器的尺寸和重量的原因有很多。例如，在現場(chǎng) X 射線(xiàn)照相和移動(dòng)貨物掃描儀等安全應用中，系統必須高度便攜，以允許現場(chǎng)操作。X 射線(xiàn)源的重量和尺寸變得至關(guān)重要，而所需的能量卻相當低：便攜式掃描儀高達 2.5 MeV，移動(dòng)掃描儀高達 6 MeV（Kutsaev  et al.，2017），可以放置在移動(dòng)底盤(pán)上。在 1 MeV 時(shí)，加速器可以在穿透范圍方面替代 192Ir。然而，使直線(xiàn)加速器能量在 0.5-2.0 MeV 范圍內可變將使其也可以取代 75Se 和 137Cs 來(lái)檢查更薄和更厚的物體。

               減小所有加速器組件尺寸的一種方法是利用經(jīng)過(guò)仔細優(yōu)化的高頻加速器，并圍繞它仔細設計系統的其余部分。與低頻相比，高頻操作有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因為有效的分流阻抗（定義到束流的功率傳輸效率）與f1/2耗散功率為 f-1/2。高頻系統的較低 Q 值還允許更短腔的填充時(shí)間，從而減少未使用電源的時(shí)間。

               因此，在高頻下工作的RF腔比在低頻下工作的更小，需要的功率也少得多。佳頻率的選擇取決于所需的直線(xiàn)加速器參數和射頻電源的可用性。例如，由于尺寸的原因，S波段（3 GHz）在磁控管功率和冷卻能力方面提供了高的功率能力，可用于 9+ MeV 機器。X 波段 （～10 GHz） 是 4-6 MeV 加速器的理想選擇，而 Ku 波段 （15 GHz） 提供小的尺寸，但可用于亞 MeV 至 2 MeV 直線(xiàn)加速器，因為商用磁控管僅提供數百千瓦的功率。    

               用于射線(xiàn)照相的低功率/低能量直線(xiàn)加速器也需要經(jīng)濟實(shí)惠，以取代目前使用的放射性同位素源。為了降低加速結構的制造成本并允許大規模生產(chǎn)，RadiaBeam 正在積極開(kāi)發(fā)一種新穎的“分體結構”直線(xiàn)加速器設計。這種方法不是加工數十個(gè)必須釬焊在一起并進(jìn)行調整的單個(gè)單元，而是采用這種方法，RF 結構僅由兩塊銅塊組成，并在表面微加工一個(gè)圖案。然后將兩半連接起來(lái)（焊接、釬焊或擴散鍵合）。這以更低的成本實(shí)現了更高的精度，減少了零件數量，避免了敏感射頻特征上的釬焊接頭，并且幾乎無(wú)需調整。這種方法建立在 SLAC、CERN 和 INFN 合作的新工作之上，以制造開(kāi)放的分裂 X 波段結構。我們工作的主要區別和新穎之處在于，分體式加速結構的焊接沒(méi)有將射頻表面加熱到退火溫度以上。

               通過(guò)應用這兩種創(chuàng )新方法（擴展到高頻和經(jīng)濟高效的分體結構技術(shù)），我們設計并目前正在構建一種能量范圍為 1-2 MeV 的便攜式低成本 X 射線(xiàn)源，主要用于替代便攜式 X 射線(xiàn)照相應用中的 192Ir源。據我們所知，這將是有史以來(lái)第一臺 Ku 波段直線(xiàn)加速器，也是第一臺采用分體式結構方法建造的商用加速器。

迄今為止，我們進(jìn)行了 1 MeV X 射線(xiàn)系統的概念設計，包括加速器設計和優(yōu)化、束流動(dòng)力學(xué)、電磁和多物理場(chǎng)仿真。我們選擇了關(guān)鍵組件并對整個(gè)系統進(jìn)行了概念工程設計，包括射頻、高壓、真空、冷卻和控制系統，以展示系統的估計重量 和尺寸。我們還考慮將該系統擴展到更高的（能量高達 2 MeV）?？偨Y了兩種直線(xiàn)加速器選項的計算參數。后，我們加工了原型 Ku 波段分離加速結構，對其進(jìn)行釬焊并對結構進(jìn)行了射頻測量，表明這種直線(xiàn)加速器是可行的，并且可以在沒(méi)有調整規定的情況下構建。